Metallschäume in Zeitlupe

Der am Helmholtz Zentrum Berlin HZB konstruierte Präzisions-Mess­tisch rotiert extrem präzise und mehrere hundert Male pro Sekunde um seine Achse. Das Team um Francisco García-Moreno kombinierte den Messtisch mit einer präzisen Optik und erreichte damit an der Bessy II-Beamline EDDI einen ersten Weltrekord mit gut 25 Tomographien pro Sekunde. Die Forscher haben nun gemeinsam mit der Gruppe um Marco Stampanoni am Paul-Scherrer-Institut PSI an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS einen neuen Weltrekord erzielt. Dafür bauten sie den Rotations­tisch mitsamt der weiter verbesserten Optik und einer ultra­schnellen Bildaufnahme und Daten­transferrate am Instrument „Tomcat“ der SLS auf. „Mehr als 200 Tomographien pro Sekunde sind nun möglich und das über Messzeiten von mehreren Minuten“, sagt Garcia-Moreno. Für diese neue bildgebende Methode wurde der Begriff Tomo­skopie geprägt.

„Bei jeder Tomoskopie kommen riesige Datenpakete zusammen, die mit einer extrem hohen Datenrate von acht Gigabyte pro Sekunde gespeichert werden müssen“, sagt PSI-Forscher Christian Schlepütz. Jede einzelne Tomographie muss aus den Messdaten errechnet werden. Im Anschluss werden die Bilder automatisch weiter verarbeitet, was quanti­tative Analysen ermöglicht. Um die mehrere Terabyte großen Daten­mengen pro Experiment zu verarbeiten, hat HZB-Forscher Paul Kamm optimierte Abläufe zur Daten­auswertung programmiert.

Die Wissenschaftler nutzten das neue bildgebende Verfahren, um dynamische Prozesse beim Aufschäumen von flüssigem Aluminium im Detail und mit hoher Zeit­auflösung zu beobachten. Denn auf diese Weise lassen sich Prozesse bei der Schaum­bildung in metallischen Schmelzen untersuchen und verstehen. Dies ist wichtig, um im später ausgehärteten Schaum eine optimale Material­verteilung und gleichmäßige Porenbildung zu erreichen, so dass er in Leichtbau­anwendungen einsetzbar ist. Metallische Schäume sind eine wichtige Materialklasse für den Leichtbau und nun ein dankbares Untersuchungs­objekt für die nun entwickelte Tomoskopie. Denn das flüssige Metall ist weitgehend unempfindlich gegenüber Strahlen­schäden und die hohe Aufnahme­geschwindigkeit passt sehr gut zu den schnellen Prozesse beim Aufschäumen.

Die ultra­schnelle Computer­tomoskopie könnte auch interessante Einblicke in viele weitere Prozesse ermöglichen. Zum Beispiel ließe sich damit untersuchen, wie sich Materialien beim Laser­schweißen verändern oder was passiert, wenn sich Batterien etwa durch Kurzschluss überhitzen. Die Forscher arbeiten nun daran, die Geschwin­digkeit weiter zu erhöhen, um die Zeit­auflösung der Messungen weiter zu steigern.

HZB / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. García-Moreno et al.: Using X-ray tomoscopy to explore the dynamics of foaming metal, Nat. Commun. 10, 3762 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-11521-1
• X-Ray Tomography Group, Paul Scherrer Institut, Villigen
• Angewandte Materialforschung, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie HZB, Berlin